摘 要：闡述光伏發電系統運維中的問題和優化措施，包括光伏組件的精細化運維、匯流箱無線通信技術的應用、光伏系統中的逆變器維護、改善調壓措施，從而保障光伏發電系統能夠正常高效運行。

關鍵詞：光伏發電，匯流技術，逆變器，調壓措施

0 引言

太陽能光伏發電系統實現由光能到電能的轉換，太陽能光伏發電系統大致由光伏組件陣列、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器和高壓開關柜、繼電保護設備、通信設備等組成，其總體結構復雜且一般長時間帶電運行，運行中容易出現各種問題，所以需要對光伏發電系統運維情況進行分析，明確其薄弱點，采取針對性措施進行解決，確保光伏發電系統的高效安全穩定運行。

1 光伏發電系統運維中的問題

光伏組件運維難的問題。光伏電站組件數量眾多，組件隱患不易被排查，其“帶病”運行和低效運行，將對電站造成不可估量的損失，依現場為依據，主要有以下幾個方面：（1）組件清洗不及時，西北春冬季風沙較大，組件表面浮沉不及時清理，將影響組件發電效率，減少項目收益。（2）近年，運維人員在光伏組件紅外測溫工作中，發現電站部分方陣所帶組件熱斑數量過多，較正常方陣逆變器功率及發電量對比，明顯低于其他方陣。同時經過現場檢查對比，單個組件出現上述狀況，將影響整個組串發電量，同時該類隱患具有不通過儀器不易發現的問題。

光伏電站匯流箱排查難的問題。就目前存量電站而言，建站時間長達10余年，匯流箱通信均采用RS485通信，依現場實際情況進行分析，大部分匯流箱通信模塊故障或通信線斷線，匯流箱在線監控系統不能有效為電站運維人員提供準確的支路運行數據和故障信息，致使增加運維人員日常運維工作量，運維效率減低。

光伏電站逆變器運維中的難點。針對光伏電站發電系統單一，逆變器作為光伏電站主要的電能轉換設備，數量多、集成化高，且長時間帶電運行，加之高溫、灰塵堆積、檢修維護不到位等因素易造成電路板損壞、電容擊穿等故障，往往造成逆變器故障長時間停機。同時，因運維人員專業化技術水平不高，對逆變器故障不能及時處理，大多情況需設備廠家到站進行維護。其間，造成逆變器長時間停機，進而影響項目收益。

影響電能質量的問題。正常情況下光伏發電系統的并網點并非穩定狀態，電壓、電流會輻照度等因素而變動。例如對于潮流條件較為復雜的情況來說，光伏發電過程中若是產生反向電流的情況，就會造成傳輸功率的下降、負載電壓的上升，從而造成電壓發生偏移。光伏發電作為電網電源點之一，其發展趨勢會因多種因素隨時發生變化，自主性難以控制。

2 光伏發電系統運維優化策略

光伏組件的精細化運維。（1）科學制定組件維護清洗計劃。為了保證光伏組件的正常高效運行，需要定期對其進行徹底清潔，確保其對于太陽能的吸收能力。在清潔過程中要遵循相關規程，避免損壞組件。現階段較為常用的清洗方法包括人工清洗組件、人工水洗、工程車輛清洗、機器人清洗等等。其中人工清洗組件主要是利用水車高壓沖洗，此種方式更便于應用，但是一旦壓力控制不合適就會造成光伏組件的損壞。還有通過機器人清洗則可以充分發揮人工智能等信息技術的優勢，可以實現更加復雜環境的作業，具有較高的效率，但需要增加具體操作的靈活性和高額的成本。所以要根據具體項目的特點及所處季節環境、自然災害等科學的制定出針對性的維護計劃和措施，程度確保光伏組件的正常高效運行。（2）熱斑現象的產生和避免。太陽能電池組件某部位被遮擋后長時間運營之后容易產生熱斑問題，一方面給會限制光伏設備吸收太陽輻射，嚴重限制光能的轉換，另一方面被遮擋處將會變為負載消耗產生的電能，發熱導致電池組件產生不可逆的損壞，長此以往屏蔽層溫度也會較大上升，容易造成表層受到破壞而產生熱斑。為了能夠消除熱斑的問題，一方面要將覆蓋在組件表面附著物質徹底清除掉，保持太陽能組件的清潔性，另一方面要對電池內部以及反向電流狀態進行充分了解，必要情況下可以對組件功能進行優化，以數據統計為基礎，按照已統計低效組件數據統計表定位拆除匯流箱異常支路所帶全部光伏組件，然后將拆下的正常光伏組件集中安裝，接入同源匯流箱，確保匯流箱各支路發電能力平均高效；由于低效組件拆除后剩余的空余支架則換裝相同尺寸規格的組件接至同一匯流箱以實現核定上網容量，確保組件的有效工作。

匯流箱無線通信技術的應用。匯流箱是光伏電站電流匯集單元，匯流箱數據采集模塊監視每個支路運行情況，所以匯流箱的通信是了解現場設備運行正常的關鍵所在，由于光伏發電項目占地面積廣，匯流箱往往數量多，每次全面排查耗時較長、效率低。出現匯流箱通信故障時若按原通信方式恢復匯流箱通信，通信模塊故障的需大量更換或維修通信模塊，通信線斷線的需要查找斷線點，進行重新接線，投入人力成本較大，如果現場重新敷設通信線不但有需要大量人力、物力投入還不能保證長時間可靠通信。所以，現場大面積出線通信斷線，可通過技改匯流箱無線通信，從而提高設備數據的可靠性，提高現場運維人員工作效率，深挖細查電站發電存量，提高站內整體發電量，增加電站收益。

光伏系統中的逆變器維護。對于光伏系統來說，逆變器是為主要的設備之一，其運行情況直接決定著整個光伏系統的正常運行，維護過程中要特別關注如下幾方面：（1）對于逆變器直流匯集接線端子進行定期維護，檢查各引線接頭接觸是否良好，接觸點是否發熱，有無燒傷痕跡，引線有無斷股、折斷現象，一旦發現存在以上情況要馬上處理或更換。（2）逆變器開始并網運行前對其狀態進行檢測，包括：電網相序、PV絕緣阻抗、直流電壓采樣、交流電壓采樣、接觸器狀態、霍爾電流傳感器等關鍵量。（3）保持電網電壓處于逆變器正常運行范圍，PV電壓處于規定范圍，以上兩者任意一項超出規定范圍逆變器將立即與電網斷開，防止設備損壞。（4）定期巡查設備運行參數、運行方式、開關位置等是否正確，確保室內通風良好，冷卻系統運轉正常，進風口濾網無堵塞現象，無異常振動、異常聲音和異常氣味。

改善調壓措施。光伏發電過程中要改善調壓設備，從而確保并網的有效性。電網電壓調節相對較為復雜，相關工作人員需要充分分析相應節點的具體特性以及實際運行情況，并且也要注意外部環境等方面的影響，以此為基礎制定針對性的發電策略。（1）可利用優化負荷的方式來對系統電壓進行調節，避免出現過電壓的情況，在此過程中要對線路運行情況實施動態監控，不斷對負荷進行優化調整，通過多次迭代實現預期目標。（2）采用具備負載穩壓性能的設備，如逆變器、升壓箱變等，確保其可以承載波動的電壓，從而保證滿運行要求。（3）裝設無功補償裝置，通過動態無功補償裝置設定恒電壓模式來保證系統電壓的滿足要求，從而確保電網的穩定運行。

3 安科瑞提供分布式光伏發電監測系統解決方案

3.1 概述

“十四五”期間，隨著“雙碳”目標提出及逐步落實，本就呈現出較好發展勢頭的分布式光伏發展有望大幅提速。就“十四五”光伏發展規劃，發改委能源研究所可再生能源發展副主任陶冶表示，“雙碳”目標意味著產業結構的調整，未來10年，新能源裝機將保持在110GW以上的年增速，這里面包含集中式光伏電站和分布式光伏電站。相較于集中式電站來說，分布式對土地等自然資源沒有依賴，各個地方的屋頂就是分布式電站的形成基礎，在碳中和方案的可選項中，分布式光伏由于其靈活性必將被大力發展，目前已有河北、甘肅、安徽、浙江、陜西等9省發布關于分布式光伏整縣推進工作的通知。

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

3.2 相關標準

根據電網Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網技術規定》：分布式電源并網電壓等級可根據各并網點裝機容量進行初步選擇，如下：8kW及以下可接入220V；8kW~400kW可接入380V；400kW~6000kW可接入10kV；5000kW~30000kW以上可接入35kV。并網電壓等級應根據電網條件，通過技術經濟比選論證確定。若高低兩級電壓均具備接入條件，優先采用低電壓等級接入。

Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網技術規定》

GB/T 29319-2012 《光伏發電系統接入配電網技術規定》

GB 50797-2012 《光伏發電站設計規范》

Q/GDW1617-2015 《光伏電站接入電網技術規定》

JGJ203-2010 《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》

3.3 解決方案

（1）交流220V并網

交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。戶用光伏電站今年發展非常迅猛，根據能源局網站提供的數據，截至2021年6月底，全國累計納入2021年財政補貼規模戶用光伏項目裝機容量為586.14萬千瓦，這相當于6個月在居民屋頂建造了四分之一個三峽水電站。

部分小型光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。光伏電站規模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

名稱	圖片	型號	功能
智能網關		ANet-1E1S1-4G	嵌入式linux系統，網絡通訊方式具備Socket方式，支持XML格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議
防逆流裝置 （選用）		ACR10R-D10TE	防止光伏系統向電網輸送功率，用于單相光伏發電系統
光伏運維云平臺		AcrelCloud-PV	監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

（2）交流380V并網

根據電網Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網技術規定》，8kW~400kW可380V并網，這類分布式光伏多為工商業企業屋頂光伏，自發自用，余電上網。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合 DL/T 448 的相關規定，以及 相關標準、規程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統，實現用電信息的遠程自動采集。

光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業380V電網，實現自發自用，余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發電量，同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統，用于光伏發電補貼和上網電量結算。

部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。部分光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。

這種并網模式單體光伏電站規模適中，可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

名稱	圖片	型號	功能
智能網關		ANet-1E2S1-4G	嵌入式linux系統，網絡通訊方式具備Socket方式，支持XML格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議
防逆流裝置		ACR10R-D10TE4	防止光伏系統向電網輸送功率，用于三相光伏發電系統
直流電表		DJSF1352	電壓輸入DC750V，電流輸入DC300A/75mV，在分布式光伏項目中適用于儲能回路等直流信號設備電量測量和電能計量使用
靜態無功補償		ANSVG100-400	光伏并網時主要提供有功功率，這樣市電側有功減少，而無功不變，這樣會導致功率因數降低，通過無功補償裝置可以提高系統功率因數。
電能質量監測		APQM-E	電網頻率 ,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數,電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度；三相電壓、電流各序分量；基波電壓、電流，功率、功率因數、相位等,諧波（2～50 次）。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群 ,間諧波 電壓波動、閃變。可輸入57.7V/100V 或 220V/380V 。
光伏運維云平臺		AcrelCloud-PV	監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

（3）10kV或35kV并網

根據《能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》 （國發新能〔2019〕49號），對于需要補貼的新建工商業分布式光伏發電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行安全技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統。

此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規模的分布式光伏電站穩控系統、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。

上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

名稱	圖片	型號	功能	應用
匯流箱		APV光伏匯流箱	防護等級為IP65,滿足室內外安裝要求； 采用霍爾傳感器，隔離測量，16路輸入； 耐壓DC1kV,熔斷電流可選擇； 可選電壓測量功能,測量電壓DC 1kV； 具有RS485通訊接口，ModBus-RTU通訊協議； 可根據客戶需求配用國內外知名品牌廠家的光伏直流斷路器，光伏直流熔斷器、防雷保護器等元件。	應用于6MW以下光伏變電站
微機保護測控裝置		AM5SE	適用于35kV和10kV電壓等級的線路保護測控、變壓器差動、后備保護測控等功能
電能質量監測		APQM-E	電網頻率 ,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數,電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度；三相電壓、電流各序分量；基波電壓、電流，功率、功率因數、相位等,諧波（2～50 次）。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群 ,間諧波 電壓波動、閃變。可輸入57.7V/100V 或 220V/380V 。
弧光保護裝置		ARB5	集保護、測量、控制、監測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準確實時監測弧光信號，保護電流，適用于中低壓等級電網的 弧光故障迅速切除裝置。
直流電表		DJSF1352	電壓輸入DC750V，電流輸入DC300A/75mV，在分布式光伏項目中適用于儲能回路等直流信號設備電量測量和電能計量使用
多功能電表		APM800	各電壓等級全電氣參數測量、計量和狀態量采集
智能網關		ANet-1E2S1-4G	嵌入式linux系統，網絡通訊方式具備Socket方式，支持XML格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議，支持和調度系統遠動通訊。
電力監控系統		Acrel-2000Z	電力監控系統，實現對光伏發電站遙測、遙信、遙控、異常報警、故障記錄和分析等功能，接收調度系統指令對光伏電站進行調節和控制。
光伏運維云平臺		AcrelCloud-PV	監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

1. 系統功能設計

安科瑞電光伏電站監控軟件采用Acrel-2000Z，是安科瑞電氣股份有限公司總結多年的開發、實踐經驗和大量的用戶需求而設計針對用戶配電系統和光伏電站的實時監控系統。

1）軟件運行環境配置

服務器上安裝Windows7操作系統。

2）光伏電站電力監控軟件架構

軟件采用C/S架構，實時采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計發電量和氣象數據。

3）光伏電站電力監控軟件功能

對光伏電站的整體信息進行監控，采用圖形和數據的形式實時動態地展現電站概況、電站實時發電及發電統計信息。包括電站概括、環境參數、實時信息、發電量統計及發電量TOP10信息

通過主界面可以對光伏陣列現場環境進行實時監測與顯示，如室外溫度值、風速、風向、光照強度等。

a）通過對電站內一次及二次配電網絡狀態的監控，了解電站內各電氣設備的運行情況及狀態，并對電站的并網狀態、有/ 無功功率流向情況等進行實時監控。

b）光伏組件分布監控

能夠根據微逆變反應的數據顯示各組太陽能電池板的工作狀態（是否正常發電），根據組串式逆變器顯示各光伏組串輸出功率，分別計量兩種兩種逆變方式的發電量日發電量、日發電量曲線、月發電量柱狀圖、年發電量柱狀圖等，并對這兩種方式發電量進行對比。

c）逆變器監控

組串式逆變器主要監測指標包括：

直流電壓、直流電流、直流功率

交流電壓、交流電流

逆變器內溫度、時鐘

頻率、功率因數、當前發電功率

日發電量、累積發電量、累積CO2 減排量

電網電壓過高、電網電壓過低

電網頻率過高、電網頻率過低

直流電壓過高、直流電壓過低

逆變器過載、逆變器過熱、逆變器短路

散熱器過熱

逆變器孤島

DSP 故障、通訊故障等。

監控系統可繪制顯示逆變器電壓—時間曲線、功率—時間曲線等，直流側輸入電流實時曲線、交流側逆變輸出電流曲線，并采集與顯示各逆變器日發電量等電參量；

d）交流匯流箱監控

交流匯流箱主要監測指標包括：

光伏組串輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出直流功率

各路輸入總發電功率、總發電量

匯流箱輸出電流、匯流箱輸出電壓、匯流箱輸出功率

電流監測允差報警

傳輸電纜/ 短路故障告警

空氣開關狀態、故障信息等

e）交流配電柜監控

交流配電柜主要監測指標包括：

光伏發電總輸出有功功率、無功功率

功率因數、電壓、電流

斷路器故障信息、防雷器狀態信息等

f）并網柜監控

通過對并網柜的監控，計量上網電量、內部用電量、電能質量、光伏發電系統有功和無功輸出、發電量、功率因數、并網點的電壓和頻率、注入系統的電等參數，計算碳減排量，并折算成標準煤，計算發電收益。

g）環境參數監控

環境參數主要監測指標包括：

日照輻射

風速、風向

環境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實際微逆或幾種微逆輸出指導電池板需要清洗等信息。

h）歷史數據管理

監控系統可針對光伏發電現場的各種事件進行記錄，如：通訊采集異常、開關變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警值進行更改設置；

i）日發電趨勢分析

系統提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時內光伏發電量與該日日照強度，環境溫度，風速等的波動情況。

j）故障報警

當電池板長時間輸出功率偏低進行故障指示，建議運維人員前往現場檢查是否有故障發生等；另外對于并網柜部分的主斷路器分合閘狀態進行監視，當出現開關變位及時報警，提醒運維人員。

4結語

近些年隨著能源的需求不斷增加，面臨很多非可再生資源大量消耗和突出的環境污染問題，光伏發電等清潔能源的開發和應用不斷加快。為了光伏發電系統能夠正常高效運行，需要對其進行定期的運維分析，明確問題所在，采取針對性措施進行優化，確保光伏發電系統的正常運行，進一步促進清潔能源的發展。

參考文獻：

【1】 閆妍.光伏發電系統運維優化策略研究[J].光源與照明,2022(09):60-62.

【2】 李云橋.新一代機器學習技術在大規模光伏系統無人機智能運維中的應用[J].電工技術, 2021(19):21-23+26.

【3】郭玲玲.光伏發電系統運維問題分析與優化策略研究[J].無線互聯科技,2020,17(20):18-19.

【4】 連乾鈞.光伏電站在線監測及故障診斷系統的設計與實現[D].吉林:吉林大學,2015.

【5】 姚遠.微電網中光伏發電控制系統設計與實現[D].四川:電子科技大學,2021.

【6】 陳志文.光伏發電系統的運維優化策略分析

【7】 分布式光伏監控系統解決方案

作者介紹：
馮東鋮，現任職于安科瑞電氣股份有限公司

審核編輯 黃宇